霧化器的粒度測試與分析

臧傳梅 田丹 崔清強(qiáng)

濟(jì)南微納顆粒儀器股份有限公司

  【摘要】：本文闡述了霧化器霧化液滴的測試原理及方法。激光粒度分析儀能夠快速、連續(xù)、準(zhǔn)確的測試分析霧化液滴的粒徑分布。激光粒度測試技術(shù)為霧化器研究提供了重要的數(shù)據(jù)檢測支持。

  【關(guān)健詞】：霧化器  激光粒度分析儀  氣霧劑

霧化吸入治療是呼吸系統(tǒng)疾病治療方法中一種十分有效的治療方法。霧化治療一般采用霧化器將藥液霧化成微小顆粒，使藥物通過呼吸吸入的方式進(jìn)入呼吸道和肺部，從而達(dá)到無痛和迅速有效治療的目的。霧化的藥物液滴的大小直接影響藥物的吸收效果。如果液滴大，霧化快，導(dǎo)致患者吸入過多的水蒸氣，使呼吸道濕化，呼吸道內(nèi)原先部分堵塞支氣管的干稠分泌物吸收水分后膨脹，加大呼吸道阻力，可能會產(chǎn)生缺氧現(xiàn)象，且會使藥液結(jié)成水珠掛在內(nèi)腔壁上，對藥物需求量大，造成浪費的現(xiàn)象，并且對于疾病霧化治療的效果不佳。所以，霧化出來的粒度決定了霧化器的治療效果和質(zhì)量[1-3]。

濟(jì)南微納儀器股份有限公司研究開發(fā)的Winner311XP激光粒度分析儀能夠?qū)F化液滴的粒度分布進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測試分析并給出測試報告。

Win311XP激光粒度分析儀是以Mie散射為原理，針對國家藥典中對吸入型氣霧劑、噴霧劑、粉霧劑等粒度要求而研發(fā)的臺式噴霧激光粒度儀，可以對各種小型噴霧裝置進(jìn)行測試，融和了微納公司多種技術(shù)，外觀小巧，能很好地對小型噴霧粒度進(jìn)行測試，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集，能夠可靠地在噴霧過程中實時連續(xù)測量霧化液滴的粒度分布[4-6]， 1分鐘內(nèi)即可完成測量，并提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)報告。能夠有效指導(dǎo)生產(chǎn)廠家進(jìn)行成品檢驗和科技研發(fā)，為企業(yè)帶去利潤和效益。

1、測試原理：

      Winner311XP采用Mie散射原理[7-8]。Mie散射原理假定顆粒是均勻的、各向同性的圓球，則可根據(jù)Maxwell電磁波方程嚴(yán)格地推導(dǎo)出散射光場強(qiáng)度分布：

其中和分別表示垂直方向和水平方向的散射光強(qiáng)：

其中，

Mie理論是描述散射光場的嚴(yán)格理論，適用于經(jīng)典意義上任意大小的顆粒。

Mie散射計算的中心問題是Mie散射系數(shù)和的計算，濟(jì)南微納公司自主研究的Mie散射改進(jìn)算法在很好地計算散射系數(shù)同時，又避免了計算機(jī)在計算過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象，保證了微納公司儀器測量數(shù)據(jù)過硬的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[7-8]。

    如圖1，Winner311XP采用了單光束平行光路和雙鏡頭雙陣列探測器技術(shù)，保證了不同角度散射光的采集。激光器發(fā)出的細(xì)窄光束，通過擴(kuò)束鏡進(jìn)行會聚后發(fā)散，然后再通過一個準(zhǔn)直透鏡將出射光變成平行光，當(dāng)平行光束通過測試區(qū)域時，由于霧滴的遮擋，光束向四周散射，由于不同粒度的顆粒的散射角度不同，我們在光路的前方以及上方設(shè)計了多個探測器來收集不同角度的散射光，之后探測器將接收到的光信號傳輸轉(zhuǎn)換為電信號并通過計算機(jī)進(jìn)行計算，得出顆粒的粒度分布。Winner311XP使用平行平晶來對平行光進(jìn)行校準(zhǔn)，并使用國家標(biāo)樣來對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，能夠很好地保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

圖1  Winner311XP儀器原理圖

2、測試步驟：

2.1 開啟Winner311XP,預(yù)熱5分鐘，使用時需要驗證光路是否為平行光，在測試區(qū)域放置一塊平晶，觀察通過平晶前后面反射后的兩個光斑重疊區(qū)域是否存在明暗相間條紋，如果是，就證明是光束平行性較好，滿足測試要求，否則就需調(diào)節(jié)光路。

2.2  聯(lián)機(jī)測試，觀察背景是否為穩(wěn)定、均勻的能譜圖，否則需要調(diào)節(jié)探測器，使其中心小孔位于主光匯聚位置，并保證透過小孔的出射光斑為圓形光斑。光路正常后測試背景，背景測試完畢后進(jìn)入能譜測試界面。

2.2  組裝某醫(yī)療器械公司生產(chǎn)的霧化器，霧化杯里加入藥液至刻度線，打開開關(guān)，預(yù)先霧化1-2分鐘，使霧化氣流穩(wěn)定。

2.3  然后將霧化杯口對準(zhǔn)winner311XP的測試區(qū)域，握住霧化杯，保持平穩(wěn)，且保持每次測量時位置不變。當(dāng)霧滴通過主光束時即開始數(shù)據(jù)采集，電腦開始顯示采集到的能譜圖，如圖4，在能譜圖穩(wěn)定后保存數(shù)據(jù)。

圖2  樣品測試頻譜分析

3、 測試結(jié)果分析

表1  兩款霧化器測試對比

由表1可看到，Winner311XP測試重復(fù)性都小于1%，重現(xiàn)性好。小于5um的霧滴累積百分比進(jìn)口霧化器（藍(lán)色）是 85.5% ，國產(chǎn)霧化器（黃色）是 84.4% 。

圖3  兩款霧化器粒度分布對比

4、結(jié)論：

霧化液滴的粒度直接關(guān)系到霧化治療的效果好壞，激光粒度測試技術(shù)是一種霧化器液滴的粒度有效的測試手段。Winner311XP激光粒度分析儀能夠快速準(zhǔn)確測試分析霧滴粒徑分布，重現(xiàn)性<1%，并詳細(xì)給出特殊尺寸的霧滴的累積百分?jǐn)?shù)，是測試霧化器霧滴粒徑分布的一項新技術(shù)，能夠為霧化器廠商提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來檢驗霧化器的性能。

                           參考文獻(xiàn)

【1】楊冠玲， 何振江等，霧粒粒度測試研究粉體技術(shù)，1996,2（1）28-34

【2】張以默，毛義等，粒子尺寸分布的激光衍射測量研究，光電工程，1990 17 （1）:1-8

【3】[英]T.艾倫 顆粒大小測定  中國建筑出版社 1984 62-664

【4】Gokturk Halit S..Effects of particle shape and size distributions on the electrical and magnetic properties of nickel/polyethylene composites .Journal of Applied Polymer Science,Dec15 1993, 50 (11):1891-1901.

【5】任俊，沈健，盧壽慈，顆粒分散科學(xué)與技術(shù) 化學(xué)工業(yè)出版社 2005 20-23

【6】winner311XP激光粒度分析儀說明書 2015 （1） 4-10

【7】汲云濤，任中京. Mie理論在靜態(tài)光散射粒度測量的應(yīng)用下限研究[J]. 中國粉體技術(shù) 2005 （6） 14-16

【8】王少清，任中京，張希明等. Mie散射系數(shù)的新算法[J]. 激光雜志 1997 18（3）： 9-12